城市三维降雨径流模拟与LID设施优化选址研究

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低影响开发(LID)是一种采用源头分散的小型控制设施,维持和保护场地自然水文功能、有效缓解不透水面积增加造成的洪峰流量增加、径流系数增大、面源污染负荷加重的城市雨水管理理念。LID设施选址是一个多条件约束的最佳方案选择问题,选址结果与特定的地理实体和项目背景相关。针对现有LID设施选址主要依靠主观判断,存在较大随意性,不仅难以满足从源头控制和延缓冲击负荷和海绵城市建设相关工程建设规范的要求,更谈不上发挥其景观功能的问题,通过构建研究区域的三维降雨径流模型,利用GIS的空间分析与统计方法,提出一种能同时满足地表径流控制和LID设施用地类型、坡度的规范要求,并发挥设施景观效益的一种优化选址方法。为实现该优化选址方法的流程化,通过在ArcGIS中构建通用的Model Builder工具插件,提高LID设施优化选址的效率。  主要研究内容及结果如下:  首先,构建了研究区域的二维降雨径流模型,在参数敏感性分析和参数率定的基础上,采用实测降雨量和出水口径流量,对模型进行了验证,结果表明,监测点各时刻流量绝对误差在10%以内,洪峰流量误差为4.15%,洪峰时刻误差为0min,误差均在允许范围之内,模型精度能都满足模拟要求。在十年一遇典型降雨情景下,研究区域城市化后的径流总量为78.5mm,为城市化前的1.9倍;出水口峰值流量为1.03m3/s,为城市化前的2.78倍;峰现时刻为10:40,相比于城市化前提前了5min。研究区域城市化前的积水面积和积水量均为0;城市化后区域积水时间持续了1小时15分;最大积水面积和积水量分别为2.13ha和130.41m3。  然后,基于研究区域设计资料制作带地物高程字段属性的矢量地图并生成数字表面模型 DSM,导入数字正射卫星影像与二维模型生成的淹没栅格图层,在ArcScene中校准三者的投影坐标系,构建了研究区域的三维降雨径流模型。采用该三维降雨径流模型,对研究区域在在十年一遇降雨情景进行模拟,得到最大淹没面积约为426 m2,发生在研究区域靠近内湖的西侧;最大水深为0.14m,发生在研究区域中部。灾害最大点距离北方出入口的距离约为220m,距离南方出入口的距离约为263m。  其次,为规范化LID设施选址,基于三维降雨径流模型,以GIS空间分析技术为基础,结合海绵城市工程建设规范以及满足景观功能等要求,提出了一种能同时满足降雨径流控制、用地类型、坡度、景观功能、面积等要求的LID设施的优化选址方法。采用该选址方法对研究区域布局LID设施后,采用十年一遇典型降雨曲线进行模拟,结果表明,研究区域的径流总量和综合径流系数分别为45.0mm和0.48,相比城市化后削减了42.9%,接近城市化前的径流总量和综合径流系数;峰值流量为2.40m3/s,峰现时刻相对于城市化后延迟了15分钟。开发建设后的自然水文状态接近开发建设前,达到了LID设施建设的初衷。  最后,为实现LID设施优化选址方法的流程化,使选址方法能够简单、快速地应用于任意建设项目中,在ArcGIS中构建了Model Builder通用工具插件。对于新建项目,输入对应的地理信息图层,并根据海绵城市相关工程建设规范要求修改对应的信息参数,即可快速实现LID设施的优化选址,在保证LID设施选址科学、合理的同时,提高了工作效率。
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